第四节 产品结构设计

从产品设计的角度，可以将结构解释为构成产品的部件形式及各部件间组合连接的方式。结构设计则是为了实现某种功能或适应某种材料特性及工艺要求而设计或改变产品构件形式及部件间组合连接方式。结构决定了产品的功能，结构也丰富着产品的形态。结构是设计中特别应该加以重视的环节。

一、产品的结构特点

结构的层次性是由产品的复杂程度所决定的，任何产品都由若干不同的层次组成，如自行车（如图1-35所示）就有二十余个部件，而每个部件中又有数十个零件。层次性也可以说是一种系统性，是系统与系统的组合与构成。

有序性是指产品的结构都是目的性和规律性的统一，结构是因一定的需要而产生的，因此，各个部分之间组合与联系是按一定要求，有目的、有规律地建立起来的，绝不是杂乱无序的凑合。产品设计和生产过程是将各种材料、部件由无序转化为有序的过程，有序性是产品结构的特征之一，是实现功能的特征保证，也是结构得以正确建立的前提。

所有的结构都具有稳定性这一特征，因为只有稳定才能有结构的存在并成为一种实体。产品作为有序性的整体，在材料之间、部件之间的相互关系都处于一种平衡状态，即使在运动中，如图1-36所示。在产品的使用过程中，这一平衡态也是保持着的，产品才具有牢固性、安全性、可靠性和可操作性等多方面的功能保障。

二、产品结构的分类

产品的结构一般分为外部结构和内部结构。

1.外部结构

外部结构不仅指外观造型，还包括与此相关的整体结构，也可称为外部结构。

外部结构是通过材料的合理选用和结构形式来体现的。一方面，外部结构既是外观形式的承担者，同时也是内在功能的传达者；另一方面，通过外观整体结构使元器件发挥核心功能，这是工业设计要解决的问题。

一般来说，静态产品的外部结构不承担核心功能的结构，即外部结构的转换不直接影响核心功能。例如电脑、手机（如图1-37所示），不论款式如何变换，其数据处理、信息传输等功能不会改变。

动态产品的外部结构本身就是核心功能承担者，其结构形式直接与产品效用有关，如图1-38所示。

2.内部结构

内部结构是指依某项技术原理而形成的具有核心功能的产品结构，往往涉及复杂的技术问题，而且属于不同的领域和系统，在产品中以各种形式产生功效，或者是功能块，或者是元器件。如家用空调机的制冷系统是作为一个部件独立设计生产的，可以看成是一个模块。通常这种技术性很强的核心功能部件是要进行专业化生产的，生产的厂家或部门专门提供各种型号的系列产品部件，工业设计就是将其部件作为核心结构，并依据其所具有的核心功能进行外观结构设计，使产品具有一定性能，形成完整功能的产品。

对于产品用户而言，核心结构是不可见的，人们只能见到输入和输出部分，对设计师而言，核心结构往往是一个“暗箱”，但输出、输入是明确的。

三、产品结构设计的相关要素

产品的外部结构是产品外观形式和内部构造相关联的可知结构，是设计师可以控制的部分，从产品设计到投入使用的整个周期中，外部结构设计出现的相关要素是无法回避的。在产品设计中，结构的相关要素会在设计的不同阶段显现出来，成为产品设计中的着眼点。

1.结构与功能

功能的实现是产品设计的基本要求，结构则是得以实现的前提和保障。不同的功能要求具有相应的结构形式。有时一种结构稍加变通可以给出多种功能，我们称这种结构为多功能结构。而只有单一功能的结构则称为单功能结构。

单功能结构可分为固定式与非固定式两种。如普通的雨伞功能结构单一，使用寿命长；而为了出行方便，人们在固定式雨伞的结构基础上，研发出非固定式的折叠雨伞，占用空间小，不过刚度和强度较差，易出故障。

多功能结构可分为拆装式、组合式、调节式3种。拆装式灵活性强但连接刚度较差；组合式则往往强调多功能化的同时，使结构不尽合理，在刚度、强度和受力条件等方面表现出一定的不足：调节式除刚度较差外，调节范围也不能设计得过大。

为了扩大使用的灵活性和增加功能范围，对普通的紧固类工具多设计成可拆装式的结构，如图1-39所示为一种常见的换头螺丝刀套件。

为了扩大使用范围，增加使用的灵活性，有些多功能结构设计成组合式，如多用圆珠笔、瑞士军刀、组合家具等。可根据需要随意组合的坐垫，4个面均有拉链设计，可以将坐垫链接在一起，组成沙发或床垫，如图1-40所示。

可调节式的结构形式便于存放和搬运。如图1-41所示，这个由Steffen Molgaard Larsen设计的旅行箱，可以通过推拉改变箱子容量大小，有两种模式，可满足长期或者短途的出行需要。它的把手藏在箱子内部，既可以满足箱子两种大小的长度，更是防止拖拉杆过多的磨损，其结构设计也比较紧凑、合理。设计这种多功能产品时，要注意做到结构紧凑，小巧轻便，并具有一定的支撑刚度及强度。

2.结构与形态

在产品的形态设计中，结构的创新是至关重要的，在产品形态所表现出的美感要素中，产品结构形的新颖与独特性占有十分重要的位置。在现实生活中常常会发现一个具有新颖结构的产品往往能以崭新的面貌出现在消费者的面前，给人以强大的视觉冲击力，激起人们购买和使用的欲望。通过对产品结构创新，不仅能改善产品的使用功能，提高工作效率，也创造了一种新颖美观的视觉效果。

如图1-42所示，Fleur Ville出品的马蹄莲形状的高脚椅子，完全颠覆传统，却异常实用，有专门的使用人群——婴儿。马蹄莲形状的尼龙座位、安全带及椅子轮子上的自动刹车装置，不仅让婴儿更接近给他们喂食的人，而且既舒适又安全。

结构除了满足和达到产品的基本功能外，对改善和扩展产品功能也起到直接作用。例如，椅子当增加了升降结构以后，可根据需要随意调整高度，增加使用的舒适度；折叠式自行车采用了折叠式的结构后，就可增加使用的灵活性，扩大使用的范围，使原来的产品功能获得了扩展和延伸，如图1-43所示。

3.结构与强度

结构是用来支撑物体或承受载荷的一种构成形式。要使产品具有符合要求的强度，就必须充分考虑材料的力学特性，以合理的结构设计达到强度的最优化。

（1）结构形式与材料强度的关系

不同的结构形式，采用同一种材料，跨度大的强度和刚度都比较低。材料的截面形状不同，其结构强度也有所不同。通常情况下，实心材料若截面积相同，矩形材料长边方向的抗弯强度要比圆形材料高；而截面积相同的空心管材要比实心的棒材的抗弯强度高。所以，通常的桁架结构吊车（如图1-44所示）不用圆钢制作，通常的自行车架不用实心材料制作。

（2）结构强度与结构稳定的关系

三角形结构是一种最稳定的结构形式，在现实生活中，有许多产品或机械系统都采用了三角形的结构原理，如三脚架就是典型的三角形结构形式（如图1-45所示）。

（3）结构强度与受力方向的关系

同样的结构形式，如果改变了力的作用方向，其结构强度与稳定性都会受到影响。例如，折叠桌、椅既能承受较大的压力，又很容易折叠收起，正是巧妙运用这一原理设计而成，如图1-46所示。

四、产品的结构形式

就产品的结构而言，常见的有以下几种。

1.折叠式结构

折叠式结构是一种使用时展开、不用时可以折叠收起的结构。折叠结构一般可重复使用，且折叠后体积小，便于运输及存储，在日常生活中应用比较广泛。常见的产品如雨伞、折扇、折叠桌、折叠床、折叠椅、降落伞、帐篷等，如图1-47所示。

2.套叠式结构

通过结构设计使产品间产生套叠关系，从而减少产品储运所占用的空间，多用于容器类产品的结构设计，如杯子、蛋托等，抑或是通过套叠产生新的功能，如图1-48所示。有些家具在设计时也采用套叠式结构，如图1-49所示 ，椅子所有的比例都深思熟虑，符合人体工程学，简约，收纳时采用套叠方式。

3.伸缩式结构

通过产品中构件的伸长、缩短与变形改变产品的形态尺寸，达到方便使用、储运的目的，其主要结构有套管伸缩式、弹性伸缩式、连杆机构式等。如图1-50所示，这是一款由模拟人类手臂肌肉的平衡弹簧操纵、屈伸自如的台灯。

4.插接式结构

组成产品的各个构件间通过相互插接的方式接合，具有易装、易拆、储运方便的特点，如图1-51所示。

5.柔性填充式结构

柔性材料如塑料、织物等，柔软易折，收纳体积小，抗拉强度高，气密性好。使用时通过充入空气或水使其膨胀坚挺，保持形状，实现产品功能，不用时排除空气或水以方便收纳的结构型式，如充气玩具、充气家具、橡皮艇、水床等。如图1-52所示，充气式睡袋大衣面料采用较轻的防水面料制成，充上气可以在晚上睡觉时使用，白天和正常衣服一样穿着。